Novel Hyperspectral Microsystem : ถ่ายภาพและวิเคราะห์ในระบบเดียว
บทนำ
เทคโนโลยีการถ่ายภาพระดับจุลภาค (microscopic imaging) เป็นเครื่องมือพื้นฐานที่ขาดไม่ได้ในงานวิจัยด้านชีววิทยาเซลล์ วัสดุศาสตร์ เภสัชศาสตร์ โลหิตวิทยา และภูมิคุ้มกันวิทยาทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม ระบบไมโครสโคปีแบบดั้งเดิมมักแยกส่วนการถ่ายภาพ การประมวลผลข้อมูล และการวิเคราะห์เชิงปริมาณออกจากกัน ทำให้ผู้ใช้งานต้องอาศัยซอฟต์แวร์และขั้นตอนที่หลากหลายในการดำเนินงานวิจัยให้ครบวงจร บริษัท Hong Kong NTI Limited จึงได้พัฒนา "ระบบไมโครสโคปีไฮเปอร์สเปกตรัมรุ่นใหม่" (Novel Hyperspectral Microsystem) ขึ้น โดยมีเป้าหมายเพื่อผนวกรวมกระบวนการถ่ายภาพ การประมวลผล และการวิเคราะห์ให้อยู่ในระบบเดียวกัน พร้อมทั้งตอบสนองมาตรฐานการถ่ายภาพจุลทรรศน์เชิงไฮเปอร์สเปกตรัมระดับงานวิจัย (research-grade)
บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อนำเสนอภาพรวมเชิงเทคนิคของระบบดังกล่าว ครอบคลุมสถาปัตยกรรมของฮาร์ดแวร์ ความสามารถด้านการถ่ายภาพ แพลตฟอร์มซอฟต์แวร์ ตลอดจนตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานจริงในสาขาต่าง ๆ
หลักการและองค์ประกอบเชิงเทคนิคของระบบ
1. ความละเอียดเชิงแสงและการถ่ายภาพสามมิติ
ระบบมีความละเอียดเชิงแสง (optical resolution) ในแนวระนาบ xy อยู่ที่ 240 นาโนเมตร และในแนวแกน z อยู่ที่ 600 นาโนเมตร ซึ่งจัดอยู่ในระดับที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาโครงสร้างระดับจุลภาคที่มีความละเอียดสูง นอกจากนี้ระบบยังมีกลไกกำจัดแสงรบกวน (stray light) ที่อยู่นอกระนาบโฟกัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประกอบกับเทคนิคการซ้อนภาพหลายชั้น (multi-layer stacking) ที่ช่วยให้สามารถสร้างภาพสามมิติความละเอียดสูงได้
2. แหล่งกำเนิดแสงฟลูออเรสเซนซ์ LED แบบอิสระหลายความยาวคลื่น
ระบบใช้แหล่งกำเนิดแสงฟลูออเรสเซนซ์ชนิด LED กำลังสูงที่มีอายุการใช้งานยาวนาน โดยประกอบด้วยความยาวคลื่นอิสระสี่ช่วง (four-wavelength independent LED) ซึ่งให้ความสว่างสูงและมีอายุการใช้งานยาวนาน รองรับการสลับความยาวคลื่นด้วยความเร็วสูง ซึ่งช่วยลดปรากฏการณ์ photobleaching ของตัวอย่างได้อย่างมีนัยสำคัญ อีกทั้งยังใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อด้วยเส้นใยแก้วนำแสง (fiber-optic coupling) เพื่อให้แสงกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งขอบเขตการมองเห็น (field of view)
3. กล้องถ่ายภาพชนิด sCMOS ระดับงานวิจัย
หัวใจสำคัญของระบบด้านการรับภาพคือกล้อง back-illuminated sCMOS ระดับงานวิจัยแบบขาวดำ (monochrome) ซึ่งมีคุณลักษณะเด่นดังนี้
- ขนาดเซนเซอร์ 1.2 นิ้ว ขนาดพิกเซล 6.5 × 6.5 ไมโครเมตร
- ประสิทธิภาพเชิงควอนตัม (quantum efficiency) สูงถึงร้อยละ 95 ที่ความยาวคลื่น 600 นาโนเมตร
- อัตราเฟรม (frame rate) สูงสุด 100 เฟรมต่อวินาที ที่ความละเอียด 2048 × 2048 พิกเซล
คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้ระบบสามารถบันทึกภาพที่มีความไวแสงสูงและความละเอียดสูงได้ในเวลาอันรวดเร็ว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาปรากฏการณ์ทางชีวภาพที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วแบบเรียลไทม์
4. แพลตฟอร์มซอฟต์แวร์ระดับงานวิจัย (SRF)
ระบบมาพร้อมกับแพลตฟอร์มซอฟต์แวร์เฉพาะที่เรียกว่า SRF (Scientific Research-grade Framework) ซึ่งครอบคลุมการทำงานสามด้านหลัก ได้แก่
- การรับภาพ (Image Acquisition) — รองรับการรับข้อมูลแบบห้ามิติ (xyzλt) คือ พิกัดเชิงพื้นที่ (x, y, z) ความยาวคลื่น (λ) และเวลา (t) พร้อมระบบควบคุมอัตโนมัติแบบครบกระบวนการ
การประมวลผลภาพ (Image Processing) — ครอบคลุมการสร้างภาพสามมิติและการแสดงผล - การประมวลผลแบบ co-localization การปรับความสว่าง คอนทราสต์ และค่าขีดแบ่ง (threshold) การพลิกและกลับด้านภาพ การลบพื้นหลัง การสร้างภาพเคลื่อนไหว การประมวลผลแบบสแตก และการประมวลผลบริเวณสนใจ (ROI)
- การวิเคราะห์ (Analysis) — วิเคราะห์พารามิเตอร์เชิงปริมาณ เช่น ระยะทาง เส้นรอบวง พื้นที่ ความเป็นวงกลม ค่าระดับสีเทาสูงสุดและต่ำสุด การวิเคราะห์ co-localization การนับเซลล์ การนับอนุภาค การติดตามโปรตีน การวิเคราะห์กลุ่มย่อยของประชากรเซลล์ และการวิเคราะห์วัฏจักรเซลล์ (cell cycle)
การผนวกรวมฟังก์ชันทั้งสามด้านนี้เข้าไว้ในแพลตฟอร์มเดียว สะท้อนแนวคิดหลักของระบบที่มุ่งลดความซับซ้อนของกระบวนการวิจัยตั้งแต่การเก็บข้อมูลจนถึงการวิเคราะห์ผล
กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้งานจริง
จากเอกสารประกอบผลิตภัณฑ์ ระบบดังกล่าวได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในกรณีศึกษาที่หลากหลาย ซึ่งสะท้อนความยืดหยุ่นของเทคโนโลยีไฮเปอร์สเปกตรัมไมโครสโคปีในหลายสาขาวิชา ดังนี้
- ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัสดุระดับนาโนกับเซลล์จุลชีพ โดยใช้อนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) เป็นกรณีศึกษา
- การตรวจหาอนุภาคนาโนในเซลล์เพาะเลี้ยง โดยใช้อนุภาคนาโนทองคำ (Au) เป็นตัวแทน
- การตรวจหาอนุภาคนาโนออกไซด์ของเหล็กในเซลล์เพาะเลี้ยง ร่วมกับการระบุอนุภาคนาโนซีเรียมไดออกไซด์ (CeO₂) ในเนื้อเยื่อ ทั้งในเชิงภาพและเชิงสเปกตรัม
- การถ่ายภาพและวิเคราะห์ลักษณะของวัสดุนาโนโลหะชนิดต่าง ๆ ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (in vivo imaging)
- การถ่ายภาพและระบุวัสดุนาโนโลหะในตัวอย่างสิ่งแวดล้อม
- การวิเคราะห์เชิงพื้นที่และเชิงสเปกตรัมของวัสดุนาโนชนิดเพอรอฟสไกต์ (perovskite nanomaterials)
- การวิเคราะห์สเปกตรัมลักษณะเฉพาะของเส้นใยผ้า ภายใต้เลนส์วัตถุกำลังขยาย 50 เท่า
- การวิเคราะห์องค์ประกอบแร่ธาตุ โดยแสดงเส้นโค้งการสะท้อนแสงเชิงสเปกตรัม (spectral reflectance curve) ของแร่ชนิดต่าง ๆ เช่น ดาโทไลต์ (datolite) และแคลเซียมโบโรซิลิเกต
ตัวอย่างข้างต้นแสดงให้เห็นว่าระบบสามารถประยุกต์ใช้ได้ทั้งในงานวิจัยด้านชีววิทยา นาโนเทคโนโลยี วัสดุศาสตร์ ไปจนถึงงานด้านสิ่งแวดล้อมและธรณีวิทยา โดยอาศัยจุดเด่นของการวิเคราะห์แบบผสานภาพและสเปกตรัม (image–spectral integration) ในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้จนถึงอินฟราเรดใกล้ (400–1000 นาโนเมตร)
บทสรุป
ระบบไมโครสโคปีไฮเปอร์สเปกตรัมรุ่นใหม่ที่นำเสนอในเอกสารนี้ เป็นระบบถ่ายภาพจุลทรรศน์เชิงไฮเปอร์สเปกตรัมในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้ถึงอินฟราเรดใกล้ (400–1000 nm) ซึ่งมีจุดเด่นสามประการหลัก ได้แก่ (1) การผนวกรวมภาพและสเปกตรัมเข้าด้วยกันเพื่อรองรับอนาคตดิจิทัลอัจฉริยะ (2) ความสามารถในการถ่ายภาพสามมิติที่มีความละเอียดระดับนาโนเมตร และ (3) การเป็นส่วนหนึ่งของสายผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบมาเพื่อสนับสนุนนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์
ด้วยการผนวกรวมฮาร์ดแวร์ด้านทัศนศาสตร์ประสิทธิภาพสูง แหล่งกำเนิดแสงฟลูออเรสเซนซ์แบบหลายความยาวคลื่น กล้อง sCMOS ระดับงานวิจัย และแพลตฟอร์มซอฟต์แวร์ที่ครบวงจรตั้งแต่การรับภาพจนถึงการวิเคราะห์ ระบบนี้จึงมีศักยภาพในการเป็นเครื่องมือสนับสนุนงานวิจัยสหวิทยาการที่ต้องการทั้งความละเอียดเชิงพื้นที่และข้อมูลเชิงสเปกตรัมในเวลาเดียวกัน
